興趣、實踐、創(chuàng)新的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》教學模式

陳 貞

（莆田學院 信息工程學院，福建 莆田 351100）

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”是計算機專業(yè)的核心課程之一，在計算機本科教學中起著承上啟下的作用.這門課程教學的核心在于通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各種概念的講解讓學生能夠較全面地理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所要講授的內(nèi)容，然后通過各種算法的處理與實現(xiàn)，掌握不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法的特點，了解在軟件設(shè)計中如何用到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的原理來解決問題[1].“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”課程的先修課程中有一門是語言程序設(shè)計，掌握好一門程序設(shè)計語言對學習數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這門課程中算法的實現(xiàn)會起到很好的幫助，同時這門課程也是計算機中其它專業(yè)的先修課，如操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)、數(shù)據(jù)庫概論等等.在很多的科學計算或模擬試驗中，都會使用到各種的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法來解決，是設(shè)計應用軟件的基礎(chǔ)工具.

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”這門課程作為一門理論課，不像flash、網(wǎng)站設(shè)計或數(shù)據(jù)庫等課程，在學習的過程就會見到效果，它的操作性比較強.而學生常常會認為它的理論性太強，概念過多，相對較為枯燥，一開始接觸就感覺難以理解，也不清楚具體怎么用，所以雖然對于課程在態(tài)度上是重視的，但學習起來會覺得相當茫然，不知道從何入手；而到課程中期時，隨著內(nèi)容的逐漸深入，學生就會覺得理論過多，內(nèi)容過于枯燥，算法無法實現(xiàn)，慢慢失去興趣；所以到課程結(jié)束時，大多學生不清楚自己具體學到了什么，更不用說怎么去用所學的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識去解決問題了.

為了推動教學方式、教學手段、學習方式的創(chuàng)新和改革，我們把實踐技能培訓和創(chuàng)新能力培養(yǎng)作為課程建設(shè)的主要目的，通過不同難度的綜合設(shè)計性實驗，定期開展課程學習研討會，引導學生探索“探究性學習、自主性學習、合作性學習、實踐性學習”等新型的學習方式，提高學習效果.

1 興趣

如何培養(yǎng)學生學習這門課程的興趣，是我們在教學中一直在努力的，當然這是一個比較復雜的系統(tǒng)問題.在培養(yǎng)興趣的過程中，我們需要注意對學生興趣的及時引導或轉(zhuǎn)移，同時在課堂教學中，經(jīng)常對學生進行興趣強化.如教學中讓學生了解所學知識在現(xiàn)實生活中的具體應用，讓學生看到一種實用軟件產(chǎn)品中用到所學的知識，所學有所用，這樣就會大大激發(fā)學生濃厚的學習興趣[2].

興趣的培養(yǎng)需要在多方面給予學生引導.在教學手段上以多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，制作高質(zhì)量的多媒體課件、算法動態(tài)演示系統(tǒng)和教學網(wǎng)站.在教學中，學生經(jīng)常會對一些算法的過程難以理解，通過圖形和動態(tài)演示的方式將這些難以理解的算法形象地表示出來，讓學生看到算法執(zhí)行的動態(tài)過程，將抽象的知識具體化，這樣有助于學生對抽象問題的理解.

對課堂講授內(nèi)容的把握上，要有張有弛，吸引學生的注意力.如何在課堂上激發(fā)學生的探究興趣及熱情，是看我們教師如何把握好課堂的教學.在教學中可以選擇一些基礎(chǔ)、本質(zhì)的知識點，通過“案例”的引導與分析，讓學生在引導中共同思考，理解概念，把握要點，同時激發(fā)他們的探究興趣和熱情.例如在介紹隊列時，可以通過“食堂排隊買飯”的現(xiàn)實生活作為案例，引入隊列的概念，分析隊列的特點.食堂排隊的過程就是一個隊列的操作過程，最先排隊的同學排在第一個，他也是最先能打到飯的人，而后面的同學在排隊的過程只能排在隊尾，這樣的一個過程等同隊列插入、刪除操作，即按照先進先出原理是一樣的.通過這樣一個現(xiàn)實的生活案例讓學生理解隊列是一種操作受限的線性表、進隊和出隊的操作，以及隊列的先進先出的特點.這也就是通過案例中用到的知識點來是解決算法，分析過程，得出結(jié)論.與此同時，協(xié)助和指導學生主動建構(gòu)同類知識，如講解棧的概念及操作，讓學生舉例說明現(xiàn)在生活中何種情況是屬于棧，然后比較棧與隊列的操作的相同與不同.它的目的就是通過“案例”的基礎(chǔ)知識的掌握使學生舉一反三，并提高和發(fā)展他們的創(chuàng)造能力.

又例如在講解各種經(jīng)典排序算法中的希爾排序時，因為希爾排序的時間耗費與算法中“增量”序列的函數(shù)有關(guān)，這個分析是一個復雜的問題，而到目前沒有人求得一種最好的增量序列，大量的研究只是得出一些局部的結(jié)論.為此，讓學生以課外分組的形式，查閱一些相關(guān)資料與研究，討論目前所提出的一些較理想的增量取法，并將這些取法通過實驗來證明其優(yōu)越性.通過這種課外探索的方法激發(fā)學生上機編程的興趣，也可以讓學生逐漸學會探索實踐的創(chuàng)新精神.

另外在講授一些具有一定歷史意義的具體課程內(nèi)容時，如哈夫曼樹，迪杰斯特拉算法等，除講解其基本原理以外，還可以對當時的分析過程、設(shè)計過程給與分析，以激發(fā)學生的興趣，和對問題的探索精神，同時培養(yǎng)他們自己去查閱資料的能力.在課外的知識探索中引導學生深入思考，調(diào)動學生學習的主動性.

在課堂上通過典型案例的講解，對課程重點內(nèi)容提供一些思考題、學科前沿問題供學生討論，引導學生進行深入思考，激發(fā)學生的創(chuàng)新思想，在教與學中充分調(diào)動學生學習的主動性，提高學生自學探索的能力，通過所學知識來分析問題、解決問題，在引導與自我探索中獲取新知識，提高理論聯(lián)系實際能力.

2 實踐

“紙上得來終覺得淺，絕知此事要躬行”.一些學生感覺“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”課程難以理解，學習起來困難的一部分原因在于將理論與實踐脫離了[3].作為一門理論和實際緊密結(jié)合的課程，在整個實踐教學過程中，如何選擇實踐題目，既能從學生的實際學習能力出發(fā)，又能使得學生理解和掌握課程知識體系中的理論和抽象概念，是一項重要的工作.學生只有通過適當?shù)膶嵺`訓練，才能理解掌握課程內(nèi)容，通過實踐，理解各類設(shè)計實現(xiàn)方法，提高軟件系統(tǒng)的實踐能力.

實踐教學需要循序漸進，從基礎(chǔ)算法，技能訓練再到綜合設(shè)計和開發(fā)訓練，每一層次的實踐需要學生達到理論課堂知識與實踐相結(jié)合的目的.

（1）基礎(chǔ)訓練：每一次的課堂都會涉及每一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識，根據(jù)課堂教學中講授過的內(nèi)容，布置一些針對本堂課基礎(chǔ)知識點的小型練習題，一次實驗解決一個問題，讓初學者易于接受.也通過這種簡單直接的驗證性算法，讓學生樹立編程的信心.

（2）技能訓練：掌握了基礎(chǔ)算法之后，需要訓練通過基礎(chǔ)算法來解決實際問題，如，多項式的加法、乘法運算，數(shù)制轉(zhuǎn)換等問題，讓學生思考解決這樣一些問題需要用到的存儲結(jié)構(gòu)，及如何通過基礎(chǔ)算法來實現(xiàn).通過一些與實際問題相結(jié)構(gòu)的簡單技能訓練，讓學生在掌握基本算法的基礎(chǔ)上，靈活運用來解決問題，從面激發(fā)學生實踐的興趣.

（3）綜合訓練：綜合性實驗目的是為了培養(yǎng)學生對知識的綜合應用能力，運用不同的思維方式分析問題、解決問題.這部分的訓練可以安排在課程教學內(nèi)容過半之后，在題目的選擇上應盡量覆蓋多個章節(jié)的知識點，學生在綜合性實驗中需要通過需求分析，比較選擇不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的不同.如在講完線性表這一類型的結(jié)構(gòu)后，可以安排“迷宮求解”做為線性表部分的綜合性實驗，讓學生提出通過棧和隊列兩種不同方式來實現(xiàn)路徑的求解；而講解完圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，就可以以學校的校園平面圖作為一個綜合性設(shè)計題目，設(shè)計校園的導游圖，讓學生綜合運用遍歷、最短路徑等知識來解決實際問題，如為用戶提供學校景點信息的查詢，查找任意兩景點之間的最短路徑，等等.此類實驗旨在培養(yǎng)學生綜合應用知識的能力，在解決問題中靈活利用基本算法.

（4）開發(fā)訓練：現(xiàn)代的軟件開發(fā)需要團隊的合作，而課程的開發(fā)訓練可能與實際的軟件開發(fā)有一定的距離，但這一部分的訓練，目的是通過分組實施此類實驗，在實驗過程中培養(yǎng)小組成員結(jié)構(gòu)化程序、模塊化程序設(shè)計的方法和能力，提高編寫程序的技巧和軟件設(shè)計的能力.考慮學生的差異性，設(shè)計不同的問題.學生可以通過分組，查閱資料，來選擇自己擅長的主題，確定實驗題目.學生確定完實驗題目，需要按照軟件工程開發(fā)流程來做，包括需要提交需求分析、模塊設(shè)計，撰寫實驗報告，包括分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，程序代碼及測試數(shù)據(jù)，以及實驗的總結(jié)報告，包括實驗過程的一些思路，問題的分析及解決問題的討論.這一部分的訓練不一定得解決一個相當復雜的問題，但需要學生學會團隊的分工合作，鍛煉他們的合作能力，在團隊的交流中拓展思路.

3 研究

教學中針對探索和批判這兩個關(guān)鍵因素，培養(yǎng)學生主動獲取知識、進一步綜合已有的知識去創(chuàng)造新知識的能力.“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”這門課程的理論性相當強，如果只是一味地強化課堂教學，將所有的知識點面面俱到，滴水不漏，反而不利于學生問題的提出[4].許多知識點的把握需要由學生自主去體會、思考與探究.所以課堂上需要培養(yǎng)學生的問題意識，引導學生做些課外的資料查找，并定期在課堂上請學生將自己興趣的問題及資料同大家一起分享，從而鍛煉學生自主學習與鉆研的能力，引導學生做科研的興趣.

例如在介紹“查找”這一章時，教師可以先引入實際學校對學生管理系統(tǒng)的操作出發(fā)，引出“查找”的需求；帶領(lǐng)學生用已經(jīng)掌握的知識去解決學生系統(tǒng)的存儲問題，例如順序表或鏈表，數(shù)據(jù)類型的結(jié)構(gòu)等等，再引入散列表的概念；引導學生根據(jù)實際需求分析查找的要求，給出順序、折半、分塊、散列法等的查找方法；分析這些方法的優(yōu)缺點、復雜度，思考在什么情況下適合用什么樣的解決方案；同時讓學生通過實驗，比較各種方法實現(xiàn)查找的時間復雜度.另外啟發(fā)學生除了教材所用的方法，是否還有其它方法或是對這些方法的改進，引導他們課外去查閱資料.在這個過程中，就有學生發(fā)現(xiàn)有人將折半查找min=（low+high）*0.5中的參數(shù)0.5改進為0.618（黃金分割線），于是就與同學討論，實驗比較，通過排序時間來看哪種算法更優(yōu)化.這樣，無形中激發(fā)了學生編程的熱情，也讓學生逐漸養(yǎng)成了探索研究的創(chuàng)新精神.

4 總結(jié)

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》是一門理論與實際結(jié)構(gòu)非常密切的專業(yè)基礎(chǔ)課，需要培養(yǎng)學生嚴謹?shù)乃季S，同時也需要培養(yǎng)學生應用能力及獨立思考的創(chuàng)新能力.在課程教學過程中注重培養(yǎng)學生的興趣，采用“問題化、層次化、多樣化”的模式，在實際教學中取得了較好的效果.在實踐中，通過由基礎(chǔ)到復雜的訓練模式，幫助學生循序漸進提高編程能力，增強了學生解決問題的信心.課堂外引導學生通過查閱資料，提高自主學習的能力，培養(yǎng)科研意識.

〔1〕嚴蔚敏,吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) C(語言版)[M].北京:清華大學出版社,1997.

〔2〕承蓓.高職數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學中三個情境導入設(shè)計案例[J].信息與電腦(理論版)，2014(9).

〔3〕鄧桂英,高麗萍,李銳等.“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”教學中提高學生的編程能力淺談[J].計算機時代，2013(8).

〔4〕曹春萍,陳平.問題驅(qū)動法在“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”教學中的應用探討[J].中國電力教育，2014(23).